紫外探测器绝对响应测量系统及软件研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.84MB 55 页 15积分

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摘要

紫外辐射是一种非照明用的辐射源，其应用非常广泛。影响了我们生

活中的方方面面，而且我们可以根据其不同波长的特性应用到不同领域，比如：

工业、农业、医学、军事、航空、航天等领域。并且随着科技的发展更高精度紫

外仪器制作也显著越来越重要。因此可见本文所研究的紫外光学定标系统的重要

性不言而喻。

众所周知，为了应用于光学测量的和各领域的发展，我们需要精确的光谱响

应率的探测器件。本文专门研究未知紫外探测器的光谱响应率为目标而搭建研究

系统。本系统采用了热释电探测器作为基准探测器，对被测紫外探测器进行绝对

光谱响应率测量。此光谱测量系统分成光源、分光系统、斩波调制器、探测器模

块、信号处理系统、计算机控制和软件数据处理部分组成，可以用来测量紫外探

测器的绝对光谱响应率。其中的软件系统部分，分成软件控制和软件操作模块，

软件控制模块有单色仪控制、锁相控制、光电平衡系统数据采集、三维电控位移

台控制功能。软件操作模块有连续光谱扫描、定点波长光谱实时扫描、绝对光谱

定标扫描，可以实现任意点波长响应率实时测量和整个被测光谱段的实时响应

率。系统在添加了更精准的仪器，使用计算机控制，使测量精度进一步提高，而

系统目标就是使测量紫外探测器的绝对响应率的精确率提高，尽量减少误差。

关键词：紫外定标系统光谱测量软件系统绝对光谱响应率热释

电探测器

ABSTRACT

UV radiation,is a kind of non-luminus radiat point,which is widely used.And it

affects many parts of our life and work,so we can use it in different parts in our life

because of its special features in different wavelengths.For example :industry,

agriculture,medicine,military affairs,aviation,spaceflight,and it is important to do

ultraviolet detector of high precision as long as the technology development. So the

importance of ultraviolet optical scaler is irreplaceable.

As we all know,we need ultraviolet detector of response ratio of spectrum of high

precision,which is used in optical measurement. This paper’s purpose is to research

the response ratio of spectrum of unkown ultraviolet detector.And we use pyroelectric

detector as standard detector ,to meature the response ratio of spectrum of unkown

ultraviolet detector.This system is builded up by light source,optical splitting

system,chopper,detectors system,processing system of signal,control of computer and

software part.The software part have two modules,one is control module ;the other is

operation module.Control module have the part of monochromator,phase

lock,EPCR,stepper motor. Operation module have the part of the scanning of

continuous spectrum,locating wavelength scanning.Finally high precision,less error is

our ultraviolet detector’s aim.

Key Word: Ultraviolet Optical Scaler, Sofeware System Of The

Whole Spectrum Measurement ，Absolute Spectrum Response Of

The Ultraviolet Detector，Pyroelectric Detector，

摘要 ............................................................... 1

ABSTRACT ............................................................. 2

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 概述 ........................................................ 1

§1.2 国内外辐射定标的现状 ........................................ 2

§1.3 本论文研究和解决问题的方案 .................................. 2

第二章光谱响应测量系统的建立 ........................................ 4

§2.1 测量方案的提出及其原理 ....................................... 4

§2.2 稳功率紫外光源 ............................................... 5

§2.2.1 紫外光源的选择 ........................................... 5

§2.2.2 紫外光源的选择稳功率紫外光源的获得 ....................... 9

§2.3 热释电电学定标系统方案设计与系统原理 ........................ 12

§2.3.1 系统方案设计及原理 ...................................... 12

§2.3.2 紫外增强型热释电定标探测器 .............................. 13

§2.3.3 主控制电路系统 .......................................... 13

§2.3.4 高精度光学斩波器 ........................................ 14

§2.3.5 斩波器驱动电路 .......................................... 15

§2.4 单色仪 ...................................................... 16

§2.5 信号检测 .................................................... 17

§2.5.1 基准探测器与被测探测器 .................................. 17

§2.5.2 锁相放大器 .............................................. 17

第三章光谱测量系统软件模块研究 ..................................... 20

§3.1 概述 ........................................................ 20

§3.2 软件的界面介绍 .............................................. 20

§3.3 软件控制 .................................................... 21

§3.3.1 单色仪控制 .............................................. 21

§3.3.2 锁相控制 ................................................ 23

§3.3.3 光电平衡系统（EPCR）数据采集 ............................ 24

§3.3.4 三维电控位移台控制 ...................................... 26

§3.4 软件操作 .................................................... 27

§3.4.1 连续光谱扫描 ............................................ 27

§3.4.2 定点波长光谱实时扫描 .................................... 30

§3.4.3 绝对光谱定标扫描 ........................................ 32

§3.5 软件设计测试 ................................................ 34

§3.6 软件的主要特点 .............................................. 35

第四章绝对光谱响应的定标 ........................................... 36

§4.1 单色仪谱线的标定 ............................................ 36

§4.2 相对光谱的测量 .............................................. 36

§4.2.1 用基准探测器获取光源相对光谱 ............................ 36

§4.2.2 对有窗和无窗 Si 紫外增强型探测器进行相对光谱测量 ......... 37

§4.2.3 对 GaN 紫外探测器进行相对光谱测量 ........................ 40

§4.3 探测器绝对光谱响应标定 .................................... 41

第五章系统误差分析 ................................................. 44

§5.1 误差理论 .................................................... 44

§5.2 系统定标的影响量及其不确定度分析 ............................ 44

§5.2.1 A 类不确定度评定方法 .................................... 44

§5.2.2 单色仪波长定标不确定度 .................................. 44

§5.2.3 调制系统的误差来源(光－电占空比误差) .................... 45

§5.2.4 紫外定标系统的不确定度 .................................. 45

§5.3 系统误差改进探讨 ............................................ 45

第六章论文总结和今后展望 ........................................... 48

§6.1 论文的总结 ................................................. 48

§6.2 对系统改进与建议 ........................................... 49

参考文献 ............................................................ 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 52

致谢 ................................................................ 53

第一章绪论

§1.1 概述

紫外线发现源于德国物理学家 Johann Wilhelm Ritter，他在 1801 年的一次实验

中，发现一种不可见光能使 Agcl 浸泡后的测试纸变黑，而这种不可见光是通过三

棱镜产生，其光谱段在紫外区的外部，所以命名为紫外线。紫外线在电磁辐射波

段范围为 100nm-400nm，并且国际照明委员会 CIE 定义其为 UVC、UVB 和UVA

三个波段，UVC 光谱波段分为 100nm 到280nm，UVB 光谱波段为 280nm 到315nm，

UVA 光谱波段为 315 到400nm。但在其中的 100 到200nm 的真空紫外波段，其在

空气中会和氧离子反应形成臭氧，所以 UVC 光谱波段设为 200-280nm，而非

100-280nm[1]。而根据实际科学研究应用来紫外波动分类：极远紫外 EUV 波段范围

为10nm 到100nm、紫外 FUV 波段范围为 100 到200nm、中紫外 MUV 波段范围

200nm 到300nm、近紫外 NUV 波段范围 300 到400nm。

紫外线应用十分广泛，在我们的生活和工作方方面面都有应用，比如在农业、

工业、医学、航天、航空、军事等很多领域中。在农业领域，紫外辐射对各种农

作物的影响也是关系人类生存的问题之一[2]；在工业中 UV 光刻技术、UV 微机械

加工、UV 激光刻蚀线路板广泛利用了紫外的短波特性；在化工业中，如紫外消毒

杀菌和紫外固化等利用了紫外线能够产生的光化学特性；在检测行业，可利用化

学和生物检测手段，通过对物质的光谱学分析测定，包括紫外光谱的测定以确定

物质的组成[3]；在天文探测和气象预报中，紫外探测将成为监测太空和气候变化的

关键所在；在军事应用中，紫外线制导武器，紫外线告警、紫外线通讯、紫外线

干扰等都是增强军事手段的有力方法[4]；另外，我们需要研制高精度高功率的紫外

探测器和紫外光源进一步促进紫外线辐射发展，使紫外线在我们生活中起到一些

好的应用。其中就包括很多紫外仪器的发展，这些仪器也是我们需要研究和关心

的，它们包括：紫外傅里叶变换光谱仪、紫外光刻设备、紫外消毒设备、紫外微

加工设备、紫外成像系统、紫外火灾报警系统、紫外荧光设备、紫外可见分光光

度计、紫外固化设备、太阳紫外光谱辐射计、紫外辐射测量仪等。

随着科学技术的进步，近几年人类对光学研究不断深入，在红外和可见光方

面的研究成果显著；而我们现在面临的生存问题越来越急迫，如：臭氧层空洞问

题，进而引发的全球气候变暖问题，环境破坏问题，物种变异等等，而这些问题

又和紫外辐射息息相关，因此为紫外光学的研究提供了契机和动力。这样我们就

产生了新的科学分支和研究内容，促进了紫外辐射行业应用范围同时培养了这个

紫外行业市场，反过来使我们对紫外有进一步加深认识，形成良性循环，也因此

紫外探测器绝对响应测量系统及软件研究

增添了一个新的研究热点。

§1.2 国内外辐射定标的现状

目前国外发达国家较多在其标准实验室使用的是英国科学家奎因和马丁在

NPL 建立的高精度低温辐射计系统[5]。他们以测量 Stefan-Boltamann 常数并且降低

其值为研究目的。而其测量的 Stefan-Boltamann 常数仅仅为 0.013％，并且工作中

对其误差和不稳定度进行了详细分析，使不确定值基本稳定在 0.01%[6]。可见他们

研发的这套激光辐射系统时，使用了的以高精度辐射度计为基准与其他被测探测

器比较得出辐射响应技术也可以为我们所用。

目前，在我国的标准实验室如中国计量科学研究室中的光谱辐射基准设备大

多是黑体理论为基础的设备。光谱辐射度就是按照普朗克定律导出的，这些基准

设备是由参考光源和配套直流电源，光谱辐射计，高温黑体及电测仪器组成，并

且把副基准灯所定下的光谱辐射照度和光谱辐射亮度定位为全国光谱辐射计的最

高依据。基准工作波长范围是 250nm 到2500nm，其精度为：光谱辐射亮度为 1.1%

到3.8%；光谱辐射照度为 1.25％～3.9％。光谱辐射度的副基准有副基准灯组测量，

其他与正基准都一样。这是把光谱辐射度通过替代法得到[7]。在此基础上建立了光

谱辐射度国家工作基准，用来作为向全国进行量值传递的工作器具。

§1.3 本论文研究和解决问题的方案

我国的紫外辐射的定标测量是溯源到可见光标准上的，再扩展到紫外区进行

的。这是一次量值传递的过程，如果再进行光谱测量，那么就要再进行一次量值

传递，这势必会增加测量误差，增大测量的不确定度。我国的紫外测量的溯源基

准是黑体，在此基础上进行多次的量值传递，到紫外区范围的测量误差会更大。

本论文采用热释电探测器作为基准探测器给被测探测器（GaN）进行定标，不

但速度快，而且减少了传递步骤，降低了测量的不确定度。

本论文研究方案及步骤如下：

（1）建立紫外绝对光谱测量系统。包括：高稳定度紫外光源系统、调制系统、

分光系统、探测器安装控制系统、信号处理系统、计算机控制和软件处理系统等

部分构成，并进行了单色仪的波长标定。

（2）提出了绝对光谱响应的测试方法，并通过系统实际情况分析选定测试方

法。包括：选定测试用的紫外光源，使用热释电作为基准探测器对被测探测器进

行相对光谱测试。选取特定波长，用热释电紫外辐射计测量被测器件在该波长处

的功率，得出该被测器在该波长处的绝对响应，并结合其相对光谱曲线得出其绝

对光谱响应。选定特定波长段，结合软件对各个部分进行控制，以热释电探测器

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摘要：

1摘要紫外辐射是一种非照明用的辐射源，其应用非常广泛。影响了我们生活中的方方面面，而且我们可以根据其不同波长的特性应用到不同领域，比如：工业、农业、医学、军事、航空、航天等领域。并且随着科技的发展更高精度紫外仪器制作也显著越来越重要。因此可见本文所研究的紫外光学定标系统的重要性不言而喻。众所周知，为了应用于光学测量的和各领域的发展，我们需要精确的光谱响应率的探测器件。本文专门研究未知紫外探测器的光谱响应率为目标而搭建研究系统。本系统采用了热释电探测器作为基准探测器，对被测紫外探测器进行绝对光谱响应率测量。此光谱测量系统分成光源、分光系统、斩波调制器、探测器模块、信号处理系统、计算机控制和软件数...

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